Generadores termoeléctricos

Tecnología
Generadores termoeléctricos
Generación de energía
sin partes móviles
Por Eduardo Bollati
Corporex S.A., servicio técnico autorizado de generadores Global Thermoelectric
Los generadores termoeléctricos son
generadores de corriente continua de baja
potencia sin partes móviles. Se utilizan para
aplicaciones en instalaciones remotas no
habitadas. Generan en base a la combustión
de gas natural, gas de boca de pozo o
licuado. Se usan además en la industria del
petróleo y del gas para protección catódica,
sistemas SCADA y telecomunicaciones.
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Historia
El efecto termoeléctrico fue observado por Thomas
Seebeck a mediados del siglo XIX.
Cuando se calienta la unión entre dos materiales distintos, se crea una diferencia de potencial en los extremos no
calentados (fríos) y circula, si se juntan dichos extremos,
una corriente eléctrica (figura 1).
En la década del 60, se desarrollaron generadores alimentados por radioisótopos para el programa espacial
Apolo y para comunicaciones con la luna, de los que derivarían los materiales utilizados en la mayoría de los generadores comerciales actuales.
Los generadores termoeléctricos son un producto para
aplicaciones muy específicas, mientras que otros derivados
de la misma tecnología, como las termocuplas de seguridad, se emplean masivamente. Dada su simplicidad, se
usan también módulos termoeléctricos de efecto Peltier
para aplicaciones de refrigeración y control de temperatura de baja capacidad.
Principio de funcionamiento
Figura 1. Efecto Seebeck.
Treinta años después, Jean Peltier descubrió que la circulación de corriente en esas circunstancias causa absorción o liberación de calor.
Lord Kelvin (William Thomson) relacionó luego ambos
enunciados en un tercer efecto termoeléctrico, llamado
luego “efecto Thomson”, que establece que, al circular una
corriente en la dirección de un gradiente térmico por un
conductor homogéneo, se establece un efecto calefactor o
refrigerante lateral.
La teoría básica de los generadores y refrigeradores termoeléctricos se terminó de delinear a principios del
siglo XX. Para aplicaciones prácticas se necesitaban materiales con un alto coeficiente Seebeck, alta conductividad
eléctrica y baja conductividad térmica.
La tecnología de semiconductores permitió obtener
materiales adecuados a partir de la década del 40. Ya en la
segunda guerra mundial Rusia utilizó generadores termoeléctricos a base de antimonio-zinc para alimentar equipos
de comunicaciones militares.
En la década del 50, se desarrollaron las primeras termocuplas para sistemas de seguridad por falta de llama,
que resultaron la aplicación más masiva del efecto termoeléctrico y que se encuentran hoy en día en casi todos los
calefones, termotanques, hornos y calefactores a gas domiciliarios.
Con el correr de los años se fabricaron generadores termoeléctricos (conocidos como TEG por su sigla en inglés:
ThermoElectric Generator) con diversos materiales semiconductores y con resultados variados.
Un generador termoeléctrico convierte directamente
calor en electricidad. El calor induce la circulación de una
corriente eléctrica al fluir desde el quemador de gas a través del módulo termoeléctrico (termopila). Para generar
electricidad mediante el efecto termoeléctrico se necesitan
un módulo termoeléctrico y una diferencia de temperatura
entre ambas caras del mismo. Dado que la circulación de
corriente también genera migración de calor, las fuentes
caliente y fría deberán aportar y disipar calor continuamente para mantener esa diferencia.
En la práctica los elementos básicos de los generadores
termoeléctricos son tres (figura 2):
• Fuente caliente: quemador o calefactor catalítico a gas
en casi todos los casos.
• Dispositivo de conversión de energía: módulo termoeléctrico o termopila.
• Fuente fría: disipador de aluminio aletado, tubos refrigerantes o radiadores.
Los elementos termoeléctricos generan en una tensión
muy baja (mV) pero suelen tener una buena capacidad de
corriente. Por ejemplo, en el caso de las termocuplas usadas en los dispositivos de seguridad de llama domiciliarios
la corriente generada en base a la llama piloto es suficiente
Figura 2. Esquema TEG.
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Figura 3. Elementos termoeléctricos.
para mantener la válvula de seguridad abierta, oponiéndose al resorte que tiende a cerrarla.
Un módulo termoeléctrico o termopila consiste generalmente en varios elementos semiconductores (a veces cientos de ellos) con dopaje P y N conectados eléctricamente
en serie y térmicamente en paralelo (figuras 3 y 4).
Los generadores se completan con diversos sistemas
auxiliares, como ser los de gestión de combustible, ajuste
de aire, seguridad, encendido y acondicionamiento de la
tensión de salida.
Tecnologías
El corazón de los generadores termoeléctricos es el
módulo termoeléctrico. Se han ensayado e incluso construido generadores con diversas mezclas de materiales
semiconductores (con sus correspondientes dopajes P y
N), como ser:
• antimonio-zinc
• silicio-germanio
• bismuto-telurio
• plomo-estaño-telurio
Figura 4. Termopila a medio construir.
mayor durabilidad (por estar inertizadas), densidad de
potencia y eficiencia (debido al mayor salto térmico).
La figura 4 muestra una termopila de Pb-Sn-Te a medio
construir. Genera 120 W a 6.7 V y cuenta con 80 termocuplas (160 elementos). Cada termocupla genera 84 mV, con
una corriente de 18 A y con una temperatura de 540ºC en
la cara caliente y 140ºC en la fría.
Ventajas y desventajas
En general, los generadores termoeléctricos modernos
tienen las siguientes ventajas y desventajas:
Ventajas
• Altísima confiabilidad, funcionamiento continuo y en
todo clima, sin necesidad de refugios.
• Mínimo mantenimiento, típicamente 1 a 2 horas anuales (no tienen partes móviles).
• No requieren mayor calificación del personal de operación o mantenimiento.
• Larga vida útil, de hasta 20 años sin recambio de componentes importantes, dependiendo de la tecnología utilizada.
Respecto de la fuente de calor, hay sistemas catalíticos o
• Fácil instalación, generalmente sin necesidad de equipos
de quemador convencional, casi siempre a gas, ya sea
de izaje dado su bajo peso unitario.
natural, licuado o de boca de pozo.
Actualmente alrededor del 95% del mercado mundial se • Mínimo impacto visual y sonoro.
• Costo inicial y operativo comparativamente bajo dentro
satisface con generadores a quemador convencional (no
de cierto rango de potencia.
catalítico) alimentado a gas y termopilas selladas de
plomo-estaño-telurio.
Desventajas
Las ventajas de estas tecnologías son:
• Quemador vs. calentador catalítico. El quemador permi- • Necesidad de combustible gaseoso, aunque esto en general no es un problema dado el buen servicio de provite desarrollar temperaturas mucho más altas, presenta
sión de gas licuado a granel disponible en la Argentina.
una resistencia superior a impurezas en el gas y tiene
• Costo por watt relativamente alto, si bien en el rango de
mayor vida útil (hasta 20 años según el caso).
potencia habitual da un costo inicial competitivo.
• Material y tecnología del módulo termoeléctrico. Los
• Eficiencia relativamente baja, aunque en el rango de potenmódulos de Pb-Sn-Te sellados e inertizados trabajan a
cia habitual da un consumo generalmente moderado.
mayor temperatura que las termopilas abiertas, con
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El rango de potencias donde usualmente resultan la
mejor opción es de aproximadamente 30 W a 2000 W. Sin
embargo, en ciertos casos este rango se extiende, existiendo instalaciones de 2 W a 5000 W.
Comparación con otras tecnologías
Redes eléctricas
La confiabilidad de las extensiones de redes eléctricas
en áreas remotas suele ser muy baja, no siendo suficiente
para sistemas críticos. Los generadores termoeléctricos tienen en general una confiabilidad mucho mayor.
Los costos de capital y cargos por servicio asociados al
tendido de líneas eléctricas hasta áreas remotas suelen ser
prohibitivos, a menos que la distancia a cubrir sea muy
corta. La instalación de un generador termoeléctrico para
satisfacer la demanda de energía localizada es, en general,
una solución más económica.
Grupos electrógenos convencionales
El costo de capital de los grupos electrógenos a gas o
diésel es generalmente menor que el de un generador termoeléctrico pero su costo operativo y los costos de las instalaciones auxiliares requeridas suelen ser mucho mayores.
La necesidad de contar con un técnico calificado para realizar el mantenimiento periódico de los grupos implica
costos operativos muy elevados, mayores tiempos de equipo parado y menor confiabilidad general. Cuando se comparan los costos globales a lo largo del ciclo de vida, incluyendo todos los costos operativos, los generadores termoeléctricos, dentro de su rango de potencia, tienen costos
operativos menores y mayor confiabilidad.
Sistemas fotovoltaicos
La simplicidad inherente de los sistemas fotovoltaicos
Figuras 5 y 6. Comparación de costo a lo largo del ciclo de vida.
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Figura 7. TEG 220 W (fondo) y 550 W (frente).
los hace, en general, más convenientes para cargas muy
pequeñas (hasta aproximadamente 30 W continuos). Sin
embargo, en algunos casos se usan generadores termoeléctricos en este rango de potencia debido a la muy pobre
irradiación solar o al vandalismo que típicamente sufren
los sistemas fotovoltaicos.
Para potencias mayores en general los costos iniciales
son menores para los TEG. El mantenimiento de los TEG
es típicamente menor (no requieren limpieza periódica
como los paneles) y los costos operativos son usualmente
menores (con gas natural) o similares (con propano). En
general, el costo del propano es del mismo orden de magnitud que el prorrateo de los reemplazos de los bancos de
batería que los sistemas fotovoltaicos suelen necesitar a lo
largo de su vida útil.
Por último, para cargas de 150 W continuos o mayores la diferencia en impacto visual y planta ocupada a
favor de los TEG es marcada, ya que requieren mucho
menos espacio.
Conclusiones
Los generadores termoeléctricos son una alternativa
sencilla, altamente confiable y económicamente conveniente para solucionar el problema de la alimentación
eléctrica de cargas de hasta 2000 W en áreas remotas. .
Figura 8. Sistema 1650 W (3 x 550 W).
Las figuras 5 y 6 muestran estructuras típicas de costos
para cargas constantes de 80 y 800 W.
Aplicaciones
Los generadores termoeléctricos, dentro de su nicho de
mercado, han tenido una gran aceptación en la Argentina.
Hay alrededor de 500 equipos instalados en el país y en
los gasoductos trasandinos.
Las aplicaciones principales son la alimentación de instalaciones de protección catódica y SCADA en ductos y pozos.
Se usan también en repetidoras de telecomunicaciones.
La gran mayoría de las cargas de protección catódica y
SCADA remotas en los gasoductos trasandinos está alimentada por TEG, así como gran parte de las instalaciones
similares de las demás transportadoras y distribuidoras de
gas de la Argentina. La mayoría de las grandes empresas
productoras de gas tienen TEG para telesupervisión de
pozos, puntos de medición y demás instalaciones. Hay
también unas 25 repetidoras de telecomunicaciones alimentadas por TEG.
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Eduardo Bollati es ingeniero mecánico egresado
de la Universidad Tecnológica Nacional en 1994.
Tiene más de diez años de experiencia en asesoramiento
y servicio técnico a generadores termoeléctricos Global
Thermoelectric.